JP2016042031A - エアロゾル捕集装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】短時間で十分な分析感度を得るための局所的にエアロゾル粒子を静電沈着する装置を提供すること。【解決手段】帯電ナノ粒子を静電沈着にて捕集フィルム１１上に堆積する粒子堆積装置３を備えたエアロゾル捕集装置１において、粒子堆積装置３は、粒子流入部５と粒子排出部６を設けた容器４と、容器４の粒子流入部５に設けた粒子の流入ノズル７と、流入ノズル７より流入した粒子を堆積する堆積ホルダー８と、を備え、堆積ホルダー８は、樹脂製の捕集容器９の内部に電極１０を設置し、電極の上に捕集フィルム１１を重ねて構成され、堆積ホルダー８は、上端に前記流入ノズル７より導入される帯電ナノ粒子を通過可能とする通孔１３を設けた金属カバー１２で覆われて構成され、捕集フィルム１１の上に、金属製の網目部材１４を重ねて設けた。【選択図】図１
Description
本発明は、ナノ粒子を帯電する微粒子荷電装置と、帯電ナノ粒子を静電沈着にて捕集フィルム上に堆積する粒子堆積装置とを備えたエアロゾル捕集装置に関する。
半導体、電子デバイス、材料科学、及びナノテクノロジー技術の急速な進歩により、その構成要素となるナノ粒子を集積したナノ構造体に関する研究開発が進展している。その一方で、ＰＭ２．５に代表される、大気環境中の微粒子の挙動に関して社会的に関心が高くなっている。これらの粒子の化学成分や構造を解析するためには、電子顕微鏡、ガスクロマトグラフィなどの化学分析装置が用いられる。このような分析を行うためには、微小粒子物質を捕集または基板に堆積させるための、効率的な手法の開発が求められている。
このような微粒子の捕集には、エアフィルタが最も広く用いられている。例えば、非特許文献１では、大気中のエアロゾルを長時間捕集し、液体で抽出することで、高速液体クロマトグラフィを用いて化学成分の分析を行っている。
粒子の静電捕集は、粒子径がサブミクロン以下のエアロゾルの捕集に広く用いられている。例えば特許文献１では、静電捕集装置を用いてキャリアガス中の導電性の超微粒子を効率的に捕集する手法を提案している。
化学分析や構造解析を目的とする場合、より短時間かつより高感度に粒子を検出することは、大気中のエアロゾルの時間変動や、クリーンルーム中の発塵源の特定において特に有用な技術である。
また、エアロゾルの特性は、粒子の物理的サイズに対して、大きく変化することが知られている（例えば非特許文献２）。例えば、非特許文献３で述べられている静電分級器では、電気移動度の差を利用して、特定のサイズの粒子のみを選択的に装置外部に取り出すことが可能である。
エアロゾルを、静電収束効果を利用して局所的に基板上に堆積させることにより、局所的に高濃度エアロゾル粒子を得る、すなわちエアロゾルの濃縮効果が期待できる。このようなエアロゾルの静電収束効果については、すでに非特許文献４で述べられている。
また、現在調査されているエアロゾルの局所堆積手法の一つに、リソグラフィー技術を利用したエアロゾル堆積技術があり、例えば、ナノ粒子の堆積パターン形成のための堆積技術が応用例としてあげられる（特許文献２）。また、特許文献３は、交流電界を使用して誘電体基板上にミクロン範囲で粒子を堆積する方法を記載している。
エアロゾル粒子を基板上に堆積する他の試みは、慣性力を用いてエアロゾルを沈着させる方法である。例えば非特許文献５では、エアロゾルデポジッション法を用いて、５０〜１．５ミクロン程度のパターンを形成する手法を提案している。
尚、通常の静電捕集装置では、例えば非特許文献６にあるように電極上に基板を設置するものである。
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以上のような特許文献及び非特許文献に記載された公知技術において、前述のエアフィルタや静電捕集装置では、一般的に大面積にエアロゾルを捕集するため、サンプリングに多大な時間を要するものである。
また、静電分級器では、分級操作を行うことで粒子濃度は顕著に低減し、粒子の化学成分を解析するには更に多大な時間が必要となる。
また、上述した慣性力を用いてエアロゾルを沈着させる方法では、一般に粒径が微小化すれば、慣性力は小さくなり、またブラウン運動によって粒子軌跡が広がるため、微細パターンの直接形成は困難である。これを克服するためには装置として、大型の真空装置や微細なノズルなどが必要となる。
以上のように、エアロゾルの静電沈着は粒子の捕集やその後の化学成分分析に有用であることは知られているが、十分な感度で分析を行うためには、多大なサンプリング時間を要することが問題となっており、これを解決するための技術が求められている。
そこで、本発明は、より短時間で十分な分析感度を得るための局所的にエアロゾル粒子を静電沈着する装置を提供することを目的としている。
本願第１請求項に記載した発明は、実施例で用いた符号を付して記すと、ナノ粒子を帯電する微粒子荷電装置２と、帯電ナノ粒子を静電沈着にて捕集フィルム１１上に堆積する粒子堆積装置３とを備えたエアロゾル捕集装置１において、
前記粒子堆積装置３は、粒子流入部５と粒子排出部６を設けた容器４と、前記容器４の粒子流入部５に設けた粒子の流入ノズル７と、前記流入ノズル７より流入した粒子を堆積する堆積ホルダー８と、を備え、
前記堆積ホルダー８は、樹脂製の捕集容器９の内部に電極１０を設置し、前記電極１０の上に捕集フィルム１１を重ねて設けるとともに、この堆積ホルダー８は、上端に前記流入ノズル７より導入される帯電ナノ粒子を通過可能とする通孔１３を設けた金属カバー１２で覆われ、
更に、前記捕集フィルム１１の上に、金属製の網目部材１４を重ねて設けたことを特徴とするエアロゾル捕集装置１である。
前記粒子堆積装置３は、粒子流入部５と粒子排出部６を設けた容器４と、前記容器４の粒子流入部５に設けた粒子の流入ノズル７と、前記流入ノズル７より流入した粒子を堆積する堆積ホルダー８と、を備え、
前記堆積ホルダー８は、樹脂製の捕集容器９の内部に電極１０を設置し、前記電極１０の上に捕集フィルム１１を重ねて設けるとともに、この堆積ホルダー８は、上端に前記流入ノズル７より導入される帯電ナノ粒子を通過可能とする通孔１３を設けた金属カバー１２で覆われ、
更に、前記捕集フィルム１１の上に、金属製の網目部材１４を重ねて設けたことを特徴とするエアロゾル捕集装置１である。
本願第２請求項に記載した発明は、前記捕集フィルム１１は透明高分子からなるフィルムであり、前記網目部材１４はＳＵＳ製のメッシュであることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル捕集装置１である。
本願第３請求項に記載した発明は、金属製の網目部材は、パンチングメタル或いは多数のスリットを形成してなる部材であることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル捕集装置１である。
本願第１請求項に記載した発明によれば、捕集フィルムの上に、金属製の網目部材を重ねて設けているので、後記実施例で示されるように、局所的にエアロゾル粒子を静電沈着することが可能となり、より短時間で十分な分析感度が得られる作用効果を奏するものである。このように、エアロゾルを、静電収束効果を利用して局所的に基板上に堆積させることにより、局所的に高濃度エアロゾル粒子を得ることができる。このように、本発明によればエアロゾルの濃縮効果を期待することができるものである。
本願第２請求項に記載した発明によれば、捕集フィルムは透明高分子からなるフィルムであり、網目部材はＳＵＳ製のメッシュであるため、透明の基板上に粒子の局所堆積パターンを形成することが可能となり、微粒子の化学分析のための濃縮法として応用することができる。例えば、数ミクロン程度の径のプローブ光を微粒子に照射し、その散乱光や透過光などから粒子の化学成分に関する情報を得ることが可能となる。
また、本願第３請求項に記載した発明のように、金属製の網目部材は、パンチングメタル或いは多数のスリットを形成してなる部材（開口部を有する微小構造体）であってもよく、これら開口部を有する微小構造体の作用によって、粒子を微小構造体から反発させ、開口部の中心近傍に粒子を収束させるような電界を形成するものであるから、微小な粒子を局所的に沈着させることができるものである。
以下、本発明を図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。
本例のエアロゾル捕集装置１は、図１に示すように、ナノ粒子を帯電する微粒子荷電装置（ＳＭＡＣ）２と、帯電ナノ粒子を静電沈着にて捕集フィルム１１上に堆積する粒子堆積装置３とを備えて構成される。微粒子荷電装置（ＳＭＡＣ）では、粒子を多価に帯電させることができる。
粒子堆積装置３は、図２に示すように、粒子流入部５と粒子排出部６を設けた容器４と、前記容器４の粒子流入部５に設けた粒子の流入ノズル７と、前記流入ノズル７より流入した粒子を堆積する堆積ホルダー８と、を備える。
前記堆積ホルダー８は、樹脂製の捕集容器９の内部に電極１０を設置し、前記電極１０の上に捕集フィルム１１を重ねて設けるとともに、この堆積ホルダー８は、上端に前記流入ノズル７より導入される帯電ナノ粒子を通過可能とする通孔１３を設けた金属カバー１２で覆われる。
堆積ホルダー８において、帯電した粒子は、高電圧印加装置により、静電気力にて流入ノズル７から導入され、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度離れた電極１０上に捕集される。
更に、本発明においては、捕集フィルム１１の上に、金属製の網目部材１４を重ねて設けている。
本例では、堆積ホルダー８は、樹脂製、例えばテフロン（登録商標）製のロッド（円筒部材）の内部に電極１０を設置し、その上に透明高分子であるＰＥＮフィルム（捕集フィルム１１）を重ねて設け、更にその上にＳＵＳ製のメッシュ（網目部材１４）を重ねたもので、それをＳＵＳカバー（金属カバー１２）によって覆うような構造となっている。
上述したように、電極１０の上に捕集フィルム１１を重ねて設け、更にその上にＳＵＳ製のメッシュを重ねた場合の効果は、図３に示される。電極近傍の電界を数値シミュレーションによって計算したところ、図４に示すような結果となった。
すなわち、図４において、左から、フィルムのみ、それにＳＵＳカバーを加えたもの、更にそれに繊維間距離９７ミクロンのＳＵＳメッシュを加えたものを示す。一番左の図（フィルムのみ）を見ると、電界は上部のノズルから電極だけでなく、周囲に電界が広がっている様子が分かる。これに、ＳＵＳカバーを被せると、中央の図のように、電界が電極方向に集中する。更に、これに局所的な堆積パターンを形成するためにＳＵＳメッシュを重ねると、右の図のように、更に電界が弱くなる。従って、電界が形成されている基板近傍まで粒子を輸送するためには、ノズルから導入された粒子をある程度の距離まで、慣性で輸送する必要があると思料される。
そこで、粒子の慣性の尺度であるストークス数と流体中の粒子の電界による輸送を表すクーロンパラメータの２つの無次元数によって粒子の輸送状態を評価した（図５）。図５より、ストークス数は粒子に働く慣性力を表す無次元数であり、粒径の二乗と流速に比例する。一方、クーロンパラメータは粒子の電界による輸送を表す無次元数であり、流速と粒径に反比例することが分かる。まず、この二つのパラメータを変えて堆積実験を行い、粒子の堆積パターンが形成される条件を求めた。
縦軸がクーロンパラメータＫｃ、横軸がストークス数として、粒子の堆積の有無を図６にまとめた。図中の「×」が粒子の局所堆積が見られなかった条件、「●」が粒子の局所堆積が見られた条件である。先ほどの式（図５）より、粒径と流速の依存性は、Ｋｃとストークス数で逆になるため、ストークス数を増加させるほど、Ｋｃは低下する。図６に示すように、ほとんどの条件で局所堆積が認められず、例えば、これらのストークス数が大きい条件では、堆積自体は行われたが、ほぼ慣性が支配的であるために、局所的なパターンは形成できず、図７のＳＥＭ像に示すようにランダムに粒子が堆積した。一方、クーロンパラメータが１．５以上で且つノズルと基板間の距離が５ｍｍと、ある程度の距離がある場合の２条件のみ、堆積が認められた。
図８は、前述の条件のうち、局所堆積が認められた、粒径１００ｎｍのＰＳＬ粒子に対するＳＥＭ像である。背景の黒い部分がフィルム表面、図中の白い点が、それぞれナノ粒子からなる構造体であり、図８に示すように等間隔に並んだ構造体が形成されていることが分かる。これにＳＵＳメッシュの幅を重ねると、図９に示すように、開口部の中心に約７μｍ角まで収束した粒子の堆積パターンが形成されており、ＳＵＳメッシュのピッチ幅９７μｍに対して約７％に縮小していることが分かった。これを面積比に換算すると、およそ１９２倍に濃縮したことになる。
もっとも、前述したように、ＳＵＳメッシュの被覆によって電界も低下しているので、粒子捕集効率も低下していることが懸念される。そこで、図１に示すように、出口において凝縮核計数器ＣＰＣによって粒子濃度を計測し、高圧電源のｏｎ/ｏｆｆによって、導入した粒子のうちの、何％の粒子が捕集されているかを測定した。
図１０は、得られた捕集効率を粒径に対してプロットしたものである。まず、堆積ホルダー８にフィルムだけをのせた場合の捕集効率を粒径に対してプロットした結果では、ＳＭＡＣ（微粒子荷電装置２）を使用しない、つまり１価に帯電した粒子の場合、１００ｎｍ以下ではほぼ１００％捕集されているが、それ以上では電気移動度の低下により捕集効率が減少していることが分かる。
次にＳＭＡＣを動作させると粒子が多価に帯電するために、粒子の捕集効率が増加することが分かる。次に、堆積ホルダー８にフィルムとＳＵＳカバーをのせた場合は、図４の中央の電界計算結果からもわかるように、電界はフィルム方向に集中するが、逆に、先ほどよりも電界強度が低下するために、粒子の捕集効率は低下した。
最後に、これにＳＵＳメッシュを設置すると、電界が更に制限されて捕集効率が低下した。このとき、粗大粒子側に着目すると、粒子は先ほどのメッシュ無しの場合と同程度に捕集されており、このとき、粒子は電界というよりも、おそらく慣性で捕集されていると考えられる。これは、粒径が小さいほど捕集効率が低くなっていることからも推測できる。これに、ＳＭＡＣを作動させ、粒子を多価に帯電させると、全体的に捕集効率の増加が見られた。最終的に１００ｎｍの多価帯電粒子の捕集効率は０．１(１０％)であった。これに、先ほどのＳＥＭ像から求めた収束率を乗ずると、供給粒子濃度に対して１０％×１９２＝１９．２倍の濃縮ができていることが分かった。つまり、ＳＵＳカバーとＳＵＳメッシュを設置することで、粒子の捕集効率は１０％程度まで低下するが、その分、粒子が表面上で局所的に堆積できるため、全体でみると約２０倍の濃縮ができているということが確かめられた。
本発明の他の実施例を説明する。この例では、ナノ粒子を特定の位置に局所的に堆積する方法を微粒子の化学分析のための濃縮法として応用することである。このことにより、たとえば図１１に示すように、数ミクロン程度の径のプローブ光を微粒子に照射し、その散乱光や透過光などから粒子の化学成分に関する情報を得ることが可能となると考えられる。ここで、この透過光を利用するためには、透明の基板上に粒子の局所堆積パターンを形成することが有効である。
本発明のエアロゾル捕集装置は、エアロゾルを局所静電沈着し粒子を濃縮捕集することができるので、構造解析や化学分析に際し好適に利用することが可能である。
１ エアロゾル捕集装置
２ 微粒子荷電装置
３ 粒子堆積装置
４ 容器
５ 粒子流入部
６ 粒子排出部
７ 流入ノズル
８ 堆積ホルダー
９ 捕集容器
１０ 電極
１１ 捕集フィルム
１２ 金属カバー
１３ 通孔
１４ 網目部材
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Claims (3)
- ナノ粒子を帯電する微粒子荷電装置２と、帯電ナノ粒子を静電沈着にて捕集フィルム１１上に堆積する粒子堆積装置３とを備えたエアロゾル捕集装置１において、
前記粒子堆積装置３は、粒子流入部５と粒子排出部６を設けた容器４と、前記容器４の粒子流入部５に設けた粒子の流入ノズル７と、前記流入ノズル７より流入した粒子を堆積する堆積ホルダー８と、を備え、
前記堆積ホルダー８は、樹脂製の捕集容器９の内部に電極１０を設置し、前記電極の上に捕集フィルム１１を重ねて構成され、
前記堆積ホルダー８は、上端に前記流入ノズル７より導入される帯電ナノ粒子を通過可能とする通孔１３を設けた金属カバー１２で覆われて構成され、
更に、前記捕集フィルム１１の上に、金属製の網目部材１４を重ねて設けたことを特徴とするエアロゾル捕集装置１。 - 前記捕集フィルム１１は透明高分子からなるフィルムであり、前記網目部材１４はＳＵＳ製のメッシュであることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル捕集装置１。
- 前記金属製の網目部材１４は、パンチングメタル或いは多数のスリットを形成してなる部材であることを特徴とする請求項１記載のエアロゾル捕集装置１。
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